1985-2021 年新疆哈密伊州區(qū)棉花生育期氣候變化特征及其對棉花生長的影響

芮建梅，李茂春，芮建文，彭紅艷，王雪姣

（1. 新疆哈密市伊州區(qū)氣象局，新疆 哈密 839200；2. 新疆阿拉爾市氣象局，新疆 阿拉爾 343300；3. 新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，烏魯木齊 830002）

氣候變化對農(nóng)業(yè)存在非常明顯的影響[1]。 棉花是我國的主要經(jīng)濟作物之一，而新疆是我國最大的優(yōu)質(zhì)棉、商品棉生產(chǎn)出口基地[2]。近50 年來，新疆氣候有變暖變濕的趨向，同時各種極端氣候事件更加頻繁發(fā)生[2-4]。許多學者在氣候變化對棉花生產(chǎn)的影響方面開展了研究，如李迎春等[5]研究認為北疆棉花生長期氣候變化對棉花發(fā)育的影響表現(xiàn)為棉花播種至裂鈴的各發(fā)育階段均呈提前的趨勢，停止生長期略延遲，棉花全生育期延長。謝芳等[6]研究表明熱量條件是影響烏蘇市棉花生產(chǎn)的主要氣象因子。傅瑋東等[7]通過分析昌吉回族自治州氣候變化對棉花生產(chǎn)的影響， 得出1996—2005 年降水分布極不均勻以及日照時間減少對棉花生產(chǎn)有不利影響。但已有的研究多集中在北疆地區(qū)，對新疆東部（東疆）地區(qū)涉及甚少。

伊州區(qū)位于東疆哈密盆地的南部，區(qū)域開闊平坦， 其平原耕作區(qū)是棉花等主要農(nóng)作物的種植區(qū)。近年來，伊州區(qū)加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展步伐，優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，在各種強農(nóng)惠農(nóng)政策的帶動和支持下，加大了經(jīng)濟作物種植比重。 棉花產(chǎn)業(yè)是當?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，棉花種植收入是當?shù)剞r(nóng)民的主要收入之一。 根據(jù)當?shù)剞r(nóng)業(yè)農(nóng)村局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021 年伊州區(qū)棉花種植面積超過1.72 萬hm2，占農(nóng)作物總播種面積的58.97%。 因此，研究伊州區(qū)棉花生育期的氣候特征， 可為有效利用氣候資源，科學安排棉花生產(chǎn)以及氣象助農(nóng)服務(wù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

選用新疆哈密市伊州區(qū)國家基準氣候站1985—2021 年4-10 月的平均氣溫、降水量、日照時間、初霜日、終霜日、無霜期、高溫日數(shù)、≥10 ℃和≥15 ℃積溫等氣象資料和棉花生育期相關(guān)的農(nóng)業(yè)氣象觀測資料。

1.2 研究方法

通過線性回歸方法分析伊州區(qū)氣象要素和棉花生育期氣候傾向率， 趨勢變化率用公式y(tǒng)＝a＋bx計算，其中y為要素值，x為時間序列，b為線性趨勢項。 以年份做回歸分析，方程中x是從0（1985年）開始。 用Manner-Kendall（M-K）突變檢驗方法進行氣象要素突變檢驗。初霜日、終霜日、棉花生育期均采用Julian 日換算，即距1 月1 日的時間求取回歸方程， 再換算成日期制作圖表。 用皮爾遜（Pearson）相關(guān)系數(shù)法分析棉花生育時期與氣象要素的相關(guān)關(guān)系，并分析評價氣候變化對棉花生長發(fā)育的影響。

棉花生育時期選取了播種期、出苗期、三葉期、五葉期、現(xiàn)蕾期、開花期、裂鈴期、吐絮期、停止生長期（停長期）9 個物候期。 生育階段選取播種期-出苗期、出苗期-現(xiàn)蕾期、現(xiàn)蕾期-開花期、開花期-吐絮期、吐絮期-停止生長期及播種期-停止生長期。 伊州區(qū)棉花在4 月下旬播種，10 月中旬停止生長，故其生育期可視為每年4-10 月。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理、氣候特征和棉花生育期變化特征分析采用Microsoft Excel 2010 軟件。

采用SPSS 20.0 軟件進行突變檢驗、相關(guān)和回歸統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花生育期氣候變化

2.1.1溫度變化特征。 由圖1 可知，伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月平均氣溫為20.1 ℃， 棉花生育期平均氣溫呈顯著上升的趨勢， 溫度傾向率為每10年升高0.57 ℃。 其中，1985—1996 年4-10 月平均氣溫低于1985—2021 年同期平均值， 谷值出現(xiàn)在1993 年，為18.0 ℃。1997—2003 年4-10 月平均氣溫在1985—2021 年同期平均值上下波動， 振幅為0.9 ℃。2004—2021 年4-10 月平均氣溫除2010 年和2014 年外均高于1985—2021 年同期平均值，尤其是2015—2021 年，峰值22.2 ℃出現(xiàn)在2019 年。這37 年間棉花生育期平均氣溫振幅為4.2 ℃。

圖1 伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月平均氣溫變化

M-K 突變檢驗可以檢驗要素是否發(fā)生突變及突變時間。對溫度的突變檢驗結(jié)果（圖2）顯示，UFk（按順序時間計算出的統(tǒng)計量序列線）和UBk（按逆序時間計算出的統(tǒng)計量序列線） 于2004 年相交，UFk于2005 年開始超過α＝0.05 顯著性水平臨界線（U0.05＝1.96），2008 年開始超過α＝0.01 顯著性水平臨界線（U0.01＝2.58）。表明伊州區(qū)棉花生育期平均氣溫于2004 年發(fā)生了突變， 突變前是19.6 ℃，突變后是20.7 ℃，上升了1.1 ℃。

圖2 伊州區(qū)1985—2021 年溫度M-K 檢驗結(jié)果

2.1.2降水變化特征。 由圖3 可知，伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月平均降水量為34.2 mm。 1985—2021 年棉花生育期降水量呈現(xiàn)略微增加的趨勢，傾向率為每10 年增加1.3 mm； 最大降水量為75.5 mm，出現(xiàn)在2015 年；最小降水量為3.9 mm，出現(xiàn)在1985 年。

圖3 伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月降水量變化

由圖4 可知， 伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月合計降水量和平均降水量的變化趨勢基本一致，均為7 月＞6 月＞8 月＞10 月＞5 月＞4 月＞9 月，合計降水量和平均降水量最大值均出現(xiàn)在7 月，主要是受汛期降水的影響，合計降水量達305.9 mm，平均降水量為8.3 mm； 合計降水量和平均降水量最小值均出現(xiàn)在9 月， 主要是受入秋后天氣的影響，合計降水量僅為101.5 mm， 平均降水量為2.7 mm。10 月合計降水量和平均降水量較大， 主要受初雪影響。

圖4 伊州區(qū)1985—2021 年棉花生育期合計和平均降水量

2.1.3日照時間變化特征。 由圖5 可知，1985—2021 年4-10 月平均日照時間為2 216.5 h。1985—2003 年、2017—2021 年棉花生育期日照時間除1990 年、1991 年和2001 年外均短于1985—2021年平均日照時間，2004—2016 年棉花生育期日照時間均長于1985—2021 年平均日照時間， 日照時間變化傾向率為每10 年增加24.1 h，棉花生育期最長日照時間為2 459.5 h，出現(xiàn)在2009 年；最短日照時間為1 964.2 h，出現(xiàn)在2019 年。 總體來看，1985—2021年伊州區(qū)棉花生育期日照時間呈略微增多趨勢。

圖5 伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月日照時間變化

2.1.4初、終霜日和無霜期變化特征。 由圖6～8可知：1985—2021 年伊州區(qū)終霜日略微推遲，初霜日顯著提前，無霜期略微縮短。 終霜日變化傾向率為每10 年推遲1.7 d， 初霜日變化傾向率為每10 年提前5.8 d，無霜期變化傾向率為每10 年縮短7.5 d。

圖6 伊州區(qū)1985—2021 年終霜日變化

2.1.5高溫日數(shù)變化特征。伊州區(qū)高溫天氣主要集中在5-9 月，以日最高氣溫≥35.0 ℃為高溫日，其中日最高氣溫≥35.0 ℃為一般高溫日， 日最高氣溫≥37.0 ℃為強高溫日，日最高氣溫≥40.0 ℃為特強高溫日。

由圖9～11 分析得出： 伊州區(qū)1985—2021 年高溫日數(shù)呈極顯著增加趨勢，高溫日數(shù)變化傾向率為每10 年增加6.6 d （R2＝0.398 2，P＜0.001）。 其中，一般高溫和強高溫日數(shù)極顯著增加，分別為每10 年增加6.5 d （R2＝0.404 4，P＜0.001） 和5.0 d（R2＝0.415 9，P＜0.001）。 高溫日數(shù)出現(xiàn)頻率表現(xiàn)為7 月＞8 月＞6 月＞5 月＞9 月，強高溫日數(shù)出現(xiàn)頻率表現(xiàn)為7 月＞8 月＞6 月＞5 月＝9 月。

圖7 伊州區(qū)1985—2021 年初霜日變化

圖8 伊州區(qū)1985—2021 年無霜期變化

圖9 伊州區(qū)1985—2021 年歷年平均高溫日數(shù)變化

圖10 伊州區(qū)1985—2021 年一般高溫、強高溫和特強高溫日數(shù)變化

圖11 伊州區(qū)1985—2021 年5-9 月高溫日數(shù)變化

2.1.6≥10 ℃、≥15 ℃積溫變化特征。 圖12～13分析得出： 伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月棉花生育期≥10 ℃、≥15 ℃平均積溫分別為4 075.8 ℃、3 529.3 ℃，≥10 ℃、≥15 ℃積溫傾向率為每10 年分別增加128.8 ℃（R2＝0.310 7，P＜0.001）和225.3 ℃（R2＝0.477，P＜0.001），呈極顯著增多趨勢。1985—2021 年4-10 月棉花生育期≥10 ℃、≥15 ℃積溫不穩(wěn)定，年際波動較大，1985—1996 年處于低積溫區(qū)，谷值出現(xiàn)在這一時期。 1997—2015 年處于積溫振蕩期，積溫值在平均值附近上下波動，變幅較大。2016—2021 年處于高積溫區(qū)， 積溫明顯上升但變幅不大，峰值出現(xiàn)在這一時期。

圖12 伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月≥10 ℃積溫變化

圖13 伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月≥15 ℃積溫變化

2.2 棉花生育期特征

2.2.1伊州區(qū)棉花發(fā)育期平均日期。伊州區(qū)棉花一般從4 月中旬開始播種，4 月下旬播種結(jié)束， 在10月上中旬停止生長。 表1 為伊州區(qū)1985—2021 年棉花生育時期歷年平均日期。

表1 伊州區(qū)1985—2021 年棉花發(fā)育平均日期（月-日）

2.2.2棉花各生長發(fā)育期趨勢變化。 圖14 分析得出：伊州區(qū)1985—2021 年棉花播種期、出苗期、三葉期、五葉期、開花期、停止生長期均呈現(xiàn)出不同程度的提前趨勢，其中播種期極顯著提前，傾向率為每10 年提前2.1 d（R2＝0.305，P＜0.001）。 現(xiàn)蕾期、裂鈴期、吐絮期有程度不一的延遲趨勢，其中裂鈴期和吐絮期顯著或極顯著延遲，傾向率分別為每10 年延遲2.6 d（R2＝0.124，P＝0.033）和4.7 d（R2＝0.292，P＝0.001）。

圖14 伊州區(qū)1985—2021 年棉花生育時期變化

由圖15 分析得出，伊州區(qū)1985—2021 年棉花播種期-出苗期、出苗期-現(xiàn)蕾期、開花期-吐絮期、 播種期-停止生長期呈延長趨勢， 其中出苗期-現(xiàn)蕾期和開花期-吐絮期呈極顯著延長趨勢。現(xiàn)蕾期-開花期、吐絮期-停止生長期呈顯著縮短趨勢（P＜0.05）。 播種期-出苗期平均為14 d，線性傾向率為每10 年延長0.8 d，最長為2006 年的35 d，最短為1992 年的8 d； 出苗期-現(xiàn)蕾期平均為43 d， 線性傾向率為每10 年延長2.4 d， 最長為2014 年和2016 年的56 d，最短為2006 年的30 d；現(xiàn)蕾期-開花期平均歷時31 d， 線性傾向率為每10 年縮短1.3 d， 最長為1993 年的38 d， 最短為1999 年、2000 年和2019 年的23 d； 開花期-吐絮期平均歷時67 d，線性傾向率為每10 年延長4.0 d，最長為1991 年的78 d，最短為1985 年的45 d。 吐絮期-停止生長期平均歷時24 d，線性傾向率為每10 年縮短4.0 d，年際波動較大，最長為1985 年和1990 年的46 d，最短為2015 年的1 d；播種期-停止生長期平均為175 d，線性傾向率為每10 年增加1.8 d，年際波動大，其中最長為2009 年的194 d，最短為1992 年和2000 年的159 d。

圖15 伊州區(qū)1985—2021 年棉花生育階段變化

2.2.3氣象因子對棉花生長發(fā)育的影響。從表2 可見，伊州區(qū)棉花生長發(fā)育受溫度因素的影響較為明顯，播種期與4 月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最低氣溫、地面溫度、5 cm 地溫呈極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），說明4 月各溫度越高，播種期越早。 出苗期與5 月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫、地面溫度、5 cm地溫極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。 三葉期與5 月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），與地面溫度和5 cm 地溫呈極顯著負相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），即各溫度赿高，三葉期明顯提前。五葉期、現(xiàn)蕾期、開花期均與5-7 月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、地面溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。 裂鈴期與9 月平均最低氣溫、地面溫度、5 cm 地溫極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。停止生長期與10 月平均氣溫、平均最低氣溫、地面溫度、5 cm 地溫顯著正相關(guān)，與極端最高溫度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。日照時間總體上與伊州區(qū)棉花各發(fā)育期呈負相關(guān)關(guān)系，即日照時間長，各發(fā)育期均會提前，其中與播種期、開花期、裂鈴期、吐絮期呈顯著負相關(guān)關(guān)系。降水量對棉花生育時期影響不顯著，主要是因為伊州區(qū)農(nóng)業(yè)為灌溉區(qū)農(nóng)業(yè)，故受降水量的影響不大。

3 討論與結(jié)論

伊州區(qū)1985—2021 年4-10 月棉花生育期氣候特征為平均氣溫升高，降水量、日照時間增加，初霜日提前，終霜日推遲，無霜期縮短，高溫日數(shù)和積溫增加。 受氣候變化影響，伊州區(qū)棉花表現(xiàn)為播種期、出苗期、三葉期、五葉期、開花期、停止生長期均有不同程度的提前趨勢， 其中播種期極顯著提前；現(xiàn)蕾期、裂鈴期、吐絮期有程度不一的延遲趨勢，其中裂鈴期和吐絮期顯著或極顯著延遲；播種期-出苗期、出苗期-現(xiàn)蕾期、開花期-吐絮期、全生育期延長，其中出苗期-現(xiàn)蕾期和開花期-吐絮期呈極顯著延長趨勢；現(xiàn)蕾期-開花期、吐絮期-停止生長期呈顯著縮短趨勢。

平均氣溫升高、降水偏多、日照時間和積溫增加的變化特征對伊州區(qū)的棉花生長以有利為主。平均氣溫升高，日照時間和積溫增加，使伊州區(qū)棉花生長期內(nèi)熱量增加， 有利于加快棉花生育進程，尤其是播種期、三葉期、五葉期、開花期。熱量越高，播種期越早，后期的各個發(fā)育期均會提前。 日照時間增加，棉花的播種期、出苗期、開花期、裂鈴期、吐絮期均有提前趨勢。 充足的日照時間，有利于棉株的光合作用，提高棉花成鈴率和鈴重，提升纖維品質(zhì)，對棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)有正向作用。 ≥10 ℃的積溫是棉花生長的基本熱量條件，≥15 ℃積溫是棉花積極生長的熱量條件。積溫的增加尤其對棉花出苗有利，播種期-出苗期和出苗期-現(xiàn)蕾期呈縮短趨勢，2016—2021 年積溫增加趨勢明顯，對棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的提高有積極作用。如果氣候繼續(xù)維持目前變化趨勢，伊州區(qū)棉花適播區(qū)范圍將擴大，對伊州區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和布局將產(chǎn)生重大影響。

初霜日提前，終霜日推遲，無霜期縮短，高溫日數(shù)增加的變化特征對伊州區(qū)的棉花生長以不利為主。初霜日提前，棉花停止生長期則提前；終霜日推遲，棉花播種期延遲，則棉花全生育期天數(shù)就會縮短，影響棉花干物質(zhì)積累，易使霜前花率降低，影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)。 伊州區(qū)高溫日天氣較多出現(xiàn)在6-8 月，而此時正值棉花現(xiàn)蕾期和開花期。 現(xiàn)蕾期遇高溫，會使棉花頂芽旺長，側(cè)芽生長受到抑制，現(xiàn)蕾速度減慢。開花期遇高溫，則降低棉花花粉活力，影響棉鈴發(fā)育，減少成鈴率，增加蕾鈴脫落率，尤其是幼鈴發(fā)育受阻，增加未成熟鈴率，對棉花的產(chǎn)量影響較大。

綜上所述，1985—2021 年伊州區(qū)棉花生育期氣候特征對棉花生長發(fā)育有利有弊，但總體上略有利。 因此，伊州區(qū)在棉花生產(chǎn)過程中除了調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，改進耕作制度，選育優(yōu)良品種外，還要加強對氣候的預(yù)測預(yù)報及其對農(nóng)業(yè)影響的評估，研究不利影響的對策措施，提出有效的農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化對策，主動將損失減少到最小。